各种各样的玻璃
从公元10世纪阿拉伯人向腓尼基人学会制玻璃技术到现在,已经过去了近千年,可是玻璃还是由石英砂、纯碱、长石和石灰石等作为主要原料,加入少量硝酸钠(硝石),经过混合、熔融、澄清、匀化后,加工而成。但是,现代玻璃已不同于易碎、易传热的普通透明玻璃。
化学家发现,如果掺人着色剂,玻璃就会呈现出颜色。如果采用不同的着色剂,就有不同色彩的玻璃。现在,红、绿、紫、蓝各色玻璃都已问世,并且研制出各种性能的玻璃。
有一种隔热玻璃,用来做窗户,隔热效果与一堵40多厘米厚的砖墙相仿,还有一种防弹玻璃,不怕震荡,甚至能防枪弹。使用防火玻璃,可以在遇到火星的瞬间冒起泡沫,变成一块防火板。如果用变色玻璃做窗户,光线强时玻璃变暗,防止刺眼,光线暗时玻璃透明,室内照样明亮。
还有许多特殊玻璃,各有特别的本领。泡沫玻璃有绝热、隔热的本领;生物玻璃可以代替骨胳,移植在人体里如同真骨头一样融洽;用硼硅玻璃瓶酿制葡萄酒,酒味清香醇美;一根头发那么细的玻璃纤维,能传送一万五千多路电话。
化学家还在不断开发玻璃新产品,满足人们的各种需要。
威尼斯玻璃城
自7世纪开始,意大利地中海沿岸的城市开始兴盛,并成为欧洲的文化中心,同时玻璃工业也在意大利兴盛起来,特别是威尼斯最为发达。后来,威尼斯的玻璃闻名于世,到公元1291年,所有威尼斯的玻璃工厂全迁到附近的穆拉洛岛上。据说是因为玻璃工人大量使用火,有发生火灾的危险,而真实的原因是为了防止外国窃取玻璃制法的秘密。意大利当局给迁到岛上的几千名工人以高工薪,但严禁与岛外的其他人会面或迁到其他地方,并规定对从岛上携带出一小块玻璃的人处以死刑。
1317年,在穆拉洛岛上开始制造玻璃镜子。由于这种镜子特别好,其他国家也想获得生产这种镜子的秘密,法国政府命令其驻意大利大使窃取生产镜子的技术秘密。这位大使就在一个夜晚从穆拉洛岛拐走了一名玻璃工人,送到法国。还有一个故事讲,有一个叫乔吉奥·贝莱赖诺的工人从岛上逃到了德国,在那儿他自己开了一个工厂。但好景不长,不久这个工厂就被一把火烧个精光,他本人也被人刺伤,差点丧命。
法国人从威尼斯盗来的玻璃制造技术,后来又传入欧洲其他国家。到1688年,法国人奈伏在一次偶然的机会发现,熔化的玻璃流到金属台上时,能成为玻璃板,他由此得到启发,发明了制造大块玻璃板的技术,今天的水磨玻璃就是利用这种技术制成的。1902年,美国的拉巴斯发明了把熔化的玻璃放进大圆筒里,使用机械边喷出边冷却的方法,大批量生产出平板玻璃。从此,生产平板玻璃更容易了。
1903年,美国人欧文斯发明了用玻璃制造啤酒瓶的自动制瓶机,每小时可生产2500个啤酒瓶。同时,在美国又开始研究不使用圆筒,把熔化的玻璃直接从槽炉中拉制生产平板玻璃的方法,经过十年的努力,又完成了用拉延方法生产平板玻璃的制造机。美国的汽车大王福特立即决定,利用自动流水线生产汽车车窗玻璃。
从此,玻璃工业在20世纪飞快地发展起来,另外,对各种光学玻璃、耐热玻璃、玻璃纤维等特殊性能的玻璃也进行了研究,今天,玻璃的用途仍以惊人的速度在发展。
玻璃与小偷
“玻璃”是“易碎”和“脆弱”的代名词,也是“玻璃”的本性。俗话说:“江山易移,本性难改。”
那么,玻璃的本性能改变吗?
近一个多世纪以来,材料科学家们经过多次试验,其中包括添加各种各样的其他成分,终于研制成功了形形色色的玻璃新产品,满足了各类人们的需要。
“万事事出有因。”材料科学家和厂商是怎么会想到要改变一下玻璃的本性呢?
现在,各种产品都时兴做广告。可以毫不夸大地说,当今的产品广告如果用“铺天盖地”来形容,那是最恰当不过了。
我国古代有一位卖“矛”和“盾”的商人,大肆鼓吹自己的“矛”和“盾”如何如何,也可以算是极具讽刺意味的广告吧!
在欧洲有一位玻璃厂厂长,为了宣传自己的玻璃制品,在为自己建造别墅时,嘱咐部下尽可能多地使用“全玻璃门”和“全玻璃窗”。这样做,别墅的光线的确不错,同时也给窃贼以可乘之机。
有一天,一个小偷利用金刚石划破玻璃厂厂长的玻璃门,大摇大摆地进入各个房间,把一些贵重的东西都带走了。
原来,那位厂长光想到增加采光面积,却忘记了采取相应的保密措施,致使小偷多次“勘察”他家,到他家可谓熟门熟路。
偷窃事件发生以后,玻璃厂厂长除了对自己招摇过市的装修感到内疚以外,同时想到必须使玻璃结实些。
为了使玻璃经得起冲击和敲打,玻璃厂厂长给总工程师和技术科的有关人员布置了任务,限定他们在最短时间内研制出一种“结实玻璃”。
玻璃制造专家领受任务以后,提出了种种方案,最后还是从钢筋混凝土那儿得到了启发,他们决定研制一种“夹丝玻璃”。
顾名思义,所谓夹丝玻璃,就是在其内部夹有金属丝网的玻璃。由于夹在玻璃中的不锈钢丝很细很细,所以它不会影响玻璃的采光效果。试验表明,夹丝玻璃的牢度相当好。由于夹丝玻璃中的金属网对玻璃起了加强作用,因此,有效地克服了玻璃的脆性。
多功能夹层玻璃
在夹丝玻璃的启示下,90年代中期,科学家们又推出了一种当今新型的建筑材料——夹层玻璃。夹层玻璃与一般的建材玻璃相比,除了不褪色、光亮照人、抗风化性强、经久耐用、价格便宜等许多优点外,还具有独特的多功能特性,同时由于它非常坚固、适用性强,能解决许多建筑设计中的难题,因此越来越广泛地应用在现代建筑设计中,成为当今建材中的一颗明星。
所谓夹层玻璃,就是在两块或两块以上的玻璃之间,夹入塑料中间膜,再经加热和加压使玻璃与塑料膜粘结在一起而制成的新颖玻璃制品。
下面向少年朋友简单介绍一下夹层玻璃的几种优异功能及应用状况:
玻璃的最大弱点是具有脆性。当受到意外的撞击或较大的震动时,玻璃就会碎裂,同时,散发开来的碎片容易伤害人体。这对建筑设计来说是一个很大的难题。
采用夹层玻璃就不必担心这个问题了。因为夹层玻璃可以减少碎片的散发以及对人体的伤害,即使在破裂的情况下,夹层玻璃仍能起着良好的保护作用。
玻璃由于透光性好,因此作为天棚的材料,是现代建筑设计中的一个热门课题。但关键是必须保证在任何情况下造成玻璃碎裂时,它的碎片不伤害人。能满足这种要求的,目前只有钢化退火玻璃和夹层玻璃两种。钢化玻璃在破碎时虽能保持形状完整,不易伤人,但是安装费用十分昂贵,此外,还需要附设不雅观的隔离罩,影响美观性。采用夹层玻璃就无须隔离罩,同时,安装费用也比较便宜,在安全性方面却比钢化玻璃高。
我们在前面提到的那位玻璃厂厂长,如果他的别墅安装夹层玻璃,那就可以没有什么后顾之忧了。这是因为,夹层玻璃可以承受鎯头、撬棒、砖头、切割工具的破坏,甚至还能抵挡炸药的巨大震动和防御子弹的穿透。因此,夹层玻璃具有优越的保安功能,可以有效地防止盗窃犯的抢劫、暴力闯入、暴力袭击、甚至枪击、杀害等,这是一般玻璃不可能具有和望尘莫及的。因此它不仅是一般居民住宅的建筑物所需要的建材,而且更是金融机构、商厦、重要的工业设施、博物馆、政府办公大楼、别墅以及外交使(领)馆等必不可少的建筑材料。
大家知道,对于建筑物来说,阻隔外界噪声的薄弱环节是窗户。正如窗户可让光线进入屋内一样,当然它也能让声音传入。为了使建筑物有一个理想的令人满意的优雅声学环境,因此,建筑设计师将窗户玻璃材料控制噪声和减声性能作为完整的空间设计的一部分同时加以考虑。
研究表明,夹层玻璃中的中间塑料膜具有减震的功能,因此,采用夹层玻璃,不仅能有效地阻止各种声音的传入,而且能对危害人体的噪声起到减声的作用,从而造就一个对人体健康有利的理想的声学环境。
太阳光照射到物体上,被物体吸收后就会转变成热能,使物体的温度升高。因此,许多建筑物在设计时,都要考虑控制建筑物的吸热问题。紫外线是所有可见光线中对建筑物内的家具、器具、物品及地毯等损害最严重的光线。有人做过试验,它的损害力是其他光线的50倍,它会使家具、器具和物品等严重变色或褪色。如果采用夹层玻璃,就可明显减弱阳光的照射,不仅可防止耀眼眩光,而且还可将有害的紫外光拒之窗外。
对于养植花草的住户来说,夹层玻璃可阻断紫外光的透射,但对室内的花卉等植物的生长均无副作用。相反,夹层玻璃还有利于保护植物的叶、茎、花、果,促进植物生长茂盛。因此,目前绝大多数的暖房和植物园都采用夹层玻璃来建造。
由于夹层玻璃具有以上众多的功能和优点,因此,它越来越受到当代建筑设计师们的注视和青睐。材料科学家深信,夹层玻璃的发展前景极为光明,开拓应用的道路也必将越来越广阔。
保密的压花玻璃
为了保密,凡是有玻璃的门窗,人们通常装上厚厚的窗帘。但是这么一来,室内的光线就会十分昏暗。
怎样才能做到采光和保密两不误呢?这时,玻璃制造专家想到了“压花玻璃”。
所谓压花玻璃,就是在玻璃上面有微微凹凸的花纹。玻璃表面虽然有立体感很强的花纹,但透明度较好:当光线透过压花玻璃时,会产生扩散现象,使里面的物体形象变形。人们站在离压花玻璃的不同距离上向房间内进行观察,所能看到的物体形象也各不相同。随着与压花玻璃之间距离的拉长,从外面向房间里看,看到的物体形象就越来越模糊。此外,由于压花玻璃花纹的不同,也会使透过的物体形象不尽相同。正因为压花玻璃有这一特性,所以,用它来做窗玻璃,既不会影响室内的采光效果,又使室外的人无法看清室内的情况。
介绍到这里,有些读者可能对压花玻璃的制作过程感兴趣,下面就稍许花点笔墨:
压花玻璃的制作颇像纺织品的印花。当玻璃熔体呈软化状态时,让它通过一对压花滚筒,于是,滚筒上的花纹就“印”到了玻璃熔体上。“印”有花纹的玻璃熔体再经后道工序处理,就成了人们所需要的压花玻璃。
幕墙玻璃
玻璃工业发展到今天,前面提到的那位玻璃厂厂长已是小巫见大巫了。自80年代开始,世界上许多城市都使用幕墙玻璃来装饰高楼大厦。在我国,近十几年来,使用幕墙玻璃的建筑犹如雨后春笋般地出现,使我国的城市美景显得更加绚丽多彩。仅就上海浦东陆家嘴金融贸易区而言,其幕墙玻璃建筑的数量和规模已不亚于美国纽约。
幕墙玻璃又称镜面玻璃幕墙。顾名思义,大楼的墙面不是传统的砖块或钢筋混凝土,而是平整如镜的玻璃。玻璃幕墙像玻璃镜幕一样,晶莹锃亮,它可以像巨大的镜子那样映出周围的景色。采用玻璃幕墙的高楼大厦,尽管体形十分庞大,但是,因为它四周都能映照出蓝天白云和夜色美景,仿佛整幢大楼都融合在天体之中消失了。人们观赏它,自有一番心旷神怡的感受。
那么,玻璃幕墙最早是谁想出来的呢?
说到玻璃幕墙的发明家,他便是美国建筑师密斯·冯·德乐。最早的玻璃幕墙,就是在20世纪20年代由他构想出来的。
1945年,密斯·冯·德乐为一位医生设计了一幢住宅,大胆采用玻璃作为外墙。这幢住宅建成以后,晶莹夺目,艳丽非凡,犹如一座“水晶宫”。遗憾的是,当时的玻璃透明有余,隔热不足,以致使女主人抱怨万分:大热天被骄阳晒得要死,寒冬又使她冻得要命。在晴朗的日子里,强烈的阳光使人眩目难忍,不久,眼睛都出毛病了。当时有人这么评价:用玻璃幕墙建房“中看不中住”。建筑师密斯因此差点被人咒骂得无地自容。至于他的生意,当然都一笔笔“吹”了。
后来,倔强的密斯不甘心失败,经过刻苦钻研,终于在1952年采用染色玻璃替代原先的无色玻璃,再次设计和建造了一幢38层的玻璃幕墙高层大楼——美国纽约的西格拉姆大厦。这一次,他成功了,声誉鹊起。
从此,玻璃幕墙受到了人们的普遍欢迎,开创了建筑设计上的一个新纪元。
幕墙玻璃自诞生至今,已有70余年历史,它走过了一段崎岖曲折的道路。据有关资料称,幕墙玻璃是20世纪80年代国际上发展较快的新型建筑材料。1985年,欧洲共同体国家生产的幕墙玻璃材料为建筑玻璃的三分之二以上。在80年代,美国幕墙玻璃的产品已超过5000万平方米。在我国,由于近几年来建筑事业的迅猛发展,出现了“幕墙玻璃热”。据估计,全国生产能力已超过1500万平方米,各类幕墙材料不断涌现。
就它的工作原理而言,幕墙玻璃属于透明热反射材料,它允许在可见光波长范围内的光线优先透过,而对紫外和红外波段光线具有极强的反射作用,从而达到透光不透热的效果。在建筑窗户、车辆侧窗与顶篷、太阳能转换装置、节能灯、电烤箱以及航天器等方面,均有广泛的应用前景。不过,就它的使用数量而言,当首推建筑业。
在现代化高层建筑的外部,人们在装敷玻璃幕墙时,还采用了由镜面玻璃与普通玻璃组合,隔层充入干燥空气的中空玻璃。中空玻璃有双层和三层两种。前者由两层玻璃加密封框架,形成一个夹层空间;后者由三层玻璃封成两个夹层空间。中空玻璃具有隔音、隔热、防结霜、防潮等优点。经测量表明,当外界温度为零下10摄氏度时,单层玻璃窗前的温度为零下2摄氏度,而使用三层中空玻璃的室内温度为13摄氏度。在夏天,双层中空玻璃可以挡住90%的太阳辐射热。尽管阳光依然可以透过玻璃幕墙,但晒在身上并不感到炎热。所以,使用中空玻璃幕墙的室内冬暖夏凉,生活环境相当舒适。
在我国,建筑装潢业推动了幕墙玻璃的发展,幕墙玻璃作为一种新型的建筑装饰材料方兴未艾。人们首先注意的是它们的艺术装饰效果,也为改革开放中的我国各大城市增添了光彩。
与众不同的微晶玻璃
说起微晶玻璃的发明,还有一则小故事。
有一天,有家闻名遐尔的美国玻璃制造公司打算研制一种感光玻璃。所谓感光玻璃,就是一种能感光显色的玻璃新品种。这种新型玻璃经紫外线照射感光后,再经过热处理,便能显示出美丽的影像,不但色彩鲜艳,而且永不褪色。
按照工艺规格的要求,感光玻璃热处理时的加热温度为玻璃软化温度以下50℃~100℃,保温时间为1~2小时。有一位研究玻璃的专家,把一块玻璃放入自动控制温度的电炉中加温,他把炉温调到600℃。一切准备就绪,他关上炉门,接通电源,电炉即开始升温。
就在这时,突然传来一阵急促的电话铃声。原来,上司通知他立即去参加一个重要会议。按照实验室的规定,实验一旦开始,有关研究人员不得中途离开。但是,那位玻璃专家想,反正电炉有自动温控仪控制,于是,他未向上司报告实验室里的工作情况便离开了岗位。
当玻璃专家返回实验室时,由于自动温控仪失灵,炉内温度升到了900℃,他不由得大吃一惊。他赶紧打开炉门,所幸的是,玻璃没有熔融,而是直挺挺地躺在炉内。玻璃专家把它放在显微镜下进行观察,观察结果表明,在这块玻璃中,析出了大量的微小晶体,这就是世界上第一块微晶玻璃的诞生经过。真是“忙中出错,歪打正着”。
有些小朋友可能会问,玻璃中那些微小的晶体是怎样形成的呢?
少年朋友也许都知道,空气中的水汽要以尘埃作为凝聚的核心,才能形成水滴。同样,制造微晶玻璃也要有适当的核心。这就是说,除了玻璃的自身成分可以作为结晶核心外,人们在熔炼、制作微晶玻璃时,还要加入一些特殊原料。试验表明,金、银、铜等金属元素和氧化钛、氧化锆等氧化物也可作为结晶核心。此外,为了使玻璃析出晶体,还应具备温度和能量等方面的条件。
制作微晶玻璃的工艺的确很有趣:玻璃冷却成型后,如果用紫外线照射一下,就会在它的体内“长出”无数肉眼分辨不出的微小晶体,变成不透明的象牙色,因此人们亲切地把它叫做“微晶玻璃”。这种要经过紫外线照射才能制成的微晶玻璃,科学家们将它称为“光敏微晶玻璃”。而不用紫外线照射,只通过热处理制成的微晶玻璃称为“热敏微晶玻璃”。
目前,科学家们已能研制出1000多种不同成分的微晶玻璃,它们的性能也各不相同。经测定表明,结晶的直径通常不超过2微米,只有头发丝粗细的几十分之一。
喜欢科普的少年朋友都知道,为了观察天体,需要有一台大型的反射式望远镜。但是,由于老式的反射式望远镜的凹镜是采用普通的光学玻璃制作的,这种玻璃会热胀冷缩,这样一来,凹镜的准确形状和精度尺寸都会因受气温的影响而发生变化,从而会大大影响天体望远镜的观察效果。
微晶玻璃受热胀冷缩的影响极小,所以,利用它来制作望远镜的凹镜,使天体望远镜的精度不至于因为气温的变化而受到影响。1978年,我国利用微晶玻璃制成了凹镜直径为22米的反射式望远镜,安装在北京天文台,使我国进入了为数不多的能制造大型微晶玻璃凹镜的国家的行列。
由于微晶玻璃既像铝那样轻巧,在高温下又不会变形,所以航空航天工程师看上了它。人们利用微晶玻璃来制作喷气式飞机发动机的喷嘴,以及用作火箭、人造地球卫星和航天飞机的结构材料。
微晶玻璃望远镜由于微晶玻璃的硬度极好,因此,可用来制造滚动轴承、压缩机和汽轮机的叶片、高速切削工具、刹车构件、热交换器、化工用泵和管道,以及其他要求耐磨、耐热、耐蚀的机械零件。
微晶玻璃易于加工,材质均匀,制成后尺寸精确,因此在军事工业中也大有用武之地。例如,利用微晶玻璃来制作导弹头部的防护罩,使导弹在高速飞行过程中能辐射大量的热,从而降低工业温度。因此,军事科学家将微晶玻璃誉为导弹头部的“保护神”。
许多具有特殊性能的微晶玻璃,可以制作成人们所需要的器件。例如,有生物活性的微晶玻璃可以制成人工骨关节、人工牙齿等;有磁性的微晶玻璃可以制成电子计算机记忆元件;此外,还能制成厨房餐具和各种家用器皿等。
不碎玻璃
玻璃作为大家最熟悉的材料之一,在人们的日常生活中几乎不可缺少。但玻璃有一个自古以来就没有改掉的老“毛病”:太脆,一碰就碎,而且玻璃碴子锋利得像刀子,一不小心就会伤人皮肉。要是有一种不碎的玻璃有多好!但这个想法自发明玻璃以来的几千年中,几乎耗尽了玻璃工匠的脑力也没有实现。
脆是玻璃的本性,想让玻璃不碎似乎是一种不切实际的幻想。但世界上有些事还真能心想事成。不碎玻璃最终还是发明成功了。
那是1903年,法国有一位叫别奈迪克的化学家,他酷爱科学研究,经常“泡”在实验室里作试验。在一次实验中,不小心把一只玻璃瓶从实验柜上碰落到地上。这在满处都是玻璃器具的化学实验室是常常遇到的事情,其结果通常都是一样:玻璃碎片崩满一地。但这一次却出现了怪事,这只装满试验用溶液的烧瓶落地后,并没有像往常一样破成碎片。
这使别奈迪克很高兴,因为如果烧瓶破碎,他精心配制的溶液等于前功尽弃。但更让他纳闷的是,这只又薄又脆的玻璃瓶从高高的实验柜掉下来后,怎么竟没有一个碎片出来呢?他仔细观察了一遍烧瓶,里面的溶液依然存在,只是在烧瓶壁上留下了蜘蛛网式的裂纹。作为一个有强烈好奇心的科学家,别奈迪克本想对玻璃瓶不碎的奥秘搞个水落石出,但一时还放不下手中的实验,只好暂时将这只布满了蜘蛛网式裂纹的玻璃瓶贴上一张纸条,记下事情的经过:这是从3米高的地方掉下来的,捡起来就是这个样子,时间是1903年11月。
这件小小的事故对于一个科学家来说,并不算什么。如果不是有心人,早就把这事忘了。但别奈迪克却经常在想这件事,那只烧瓶没有摔碎是偶然的现象吗?几年后,别奈迪克偶然在报纸上看到一则新闻,说是有一辆汽车因发生车祸,车窗上的玻璃碎成碎片,把司机和一些乘客划伤了。这马上使他联想起自己前几年出的那次小事故:“为什么我的那只烧瓶不碎呢?如果能在所有的汽车上都安上一种不碎的玻璃,司机和乘客一定可以免受划伤之苦。”别奈迪克决心解决这个难题。于是他重新找出那只留有文字记载的没有摔碎的玻璃烧瓶,仔细研究它不碎的奥秘。他发现,这只烧瓶的内壁上有一层透明的薄膜,他试着想把薄膜撕下来,但薄膜粘得非常牢,根本弄不下来。
这层薄膜是从什么地方来的呢?他百思不得其解,但最后他终于回忆起这只烧瓶曾经装过硝酸纤维溶液,有可能是溶液挥发后留下来的一层薄膜。为了验证自己的分析,他立即配制了硝酸纤维溶液进行试验。结果真的不出所料,瓶壁上留下的正是柔韧而透明的硝酸纤维素薄膜。
然后,别奈迪克着手试验,他在两块玻璃之间夹上一层透明的硝酸纤维素薄膜,使它们粘在一起,并进行“自由落体”式的摔打试验。果然,玻璃只出现裂纹而不会四处溅出玻璃碎片。这种玻璃称为安全玻璃,用处很大。
在许多工厂中,例如在强烈震动的金属锻造车间的天窗玻璃,都使用这类安全玻璃,因为如果用普通玻璃,一旦玻璃被震碎就会飞落下来伤人。一些高质量的汽车的车窗玻璃和挡风玻璃,也用不碎的安全玻璃制造。这样在万一发生车祸时,不会发生因玻璃碎片飞出伤人的情况。
调光玻璃
什么叫可调光的玻璃呢?就是根据光线的强弱可自动调节光线进入室内多少的特殊玻璃。大家也许戴过一种变色眼镜吧?它的透明度在室内和室外是不一样的。当你从室内走到阳光刺眼的室外时,眼镜上的玻璃会变色,实际上就是变得不那么透明了,使进入眼睛的光线大大减少,达到保护眼睛的目的。这种变色眼镜上的玻璃就是可调光的玻璃。
不久前,科学家又发明了一种可自行调光的窗户玻璃。这种玻璃在天气寒冷、气温低时,透明度很高,阳光会全部进入室内,使室内温度增加;而当天气炎热时,它就变成为半透明,使室内变凉爽。这种玻璃是怎么发明的呢?
谁都吃过鸡蛋,但不一定想过鸡蛋由生变熟时的有趣现象。比如,生鸡蛋的蛋白是透明的,可以透过蛋白看到里面的蛋黄,但煮熟的鸡蛋,蛋白就变成不透明的了。科学家从蛋白的透明度随温度的变化而变化的现象得到启示,决定研究出一种随温度变化(或随阳光强弱变化)的玻璃。
美国新墨西哥州阿尔伯克基森特克公司有两兄弟,弟弟叫罗伊·查赫鲁,哥哥叫戴·查赫鲁。为了发明这种可自动调光的玻璃,找到了一种云胶材料,这种云胶能随温度的变化自行改变透明度。它是一种含油质成分的聚合物和水的混合物,在低温时,其中的油质成分把水分子“冷冻”成一层外衣包围在像面条似的聚合物纤维的四周,就像一团线,外面包的绝缘外套,但这时的云胶是透明的,能通过大部分阳光(90%以上)。而当温度较高时,聚合物纤维周围“冷冻”的水分子被“熔化”聚合物纤维就像沸水中的面条那样,翻滚着绞成一团乱麻似的,这时云胶就从清澈透明状态变成为像蛋白一样的不透明的白色,可以阻挡90%的光线透过。
查赫鲁兄弟制成的云胶是一种半流体,其透明度随温度的变化很灵敏,2~3℃的温度变化就能从透明转变成半透明,将这种云胶半流体夹在两层透明玻璃(或透明塑料)之间,就可以制成自动调光的窗户玻璃。云胶的透明度变化还是可逆的,即低温时是透明的,温度升高时,透明度逐渐降低,但温度一降低,它的透明度又会恢复。要想检查这种玻璃调光是否灵敏,只要把手放在上面就知道。如果你的手放上后,玻璃上留下了你的手印,就证明它是有效的。
发电玻璃
窗户每家都有,那是用来采光、通风用的,还没有听说过用窗户可以发电的。但现在世界上已经有人研制出了能发电的窗户。这个人叫迈克尔·格拉蔡,他是瑞士的一位化学家。他经过几年的研究和不断改进,终于发明了一种能发电的窗户玻璃。它既能透光,使室内明亮、又能发电,让收音机、电视机等电器响起来。
格拉蔡怎么想起来要发明发电的窗户呢?这并不奇怪,因为现在世界上到处嚷嚷有能源危机,说石油和煤炭总有一天会消耗殆尽,但太阳能却是取之不尽的。格拉蔡就想:世界上的住房和建筑物上该有多少窗户呀?如果能使向阳光的一面的窗户都能利用太阳能发电,那么得到的电力加起来简直是一个天文数字。于是,他从80年代末就开始研究能发电的太阳能窗户。
1991年10月,格拉蔡终于成功地制造出了一种奇特的太阳能玻璃板,这种玻璃板不仅可以安在各种建筑物上作窗户,又可以同时发电,而且得到的电能要比现在通常用的硅太阳能电池的价格便宜5~10倍。
这种玻璃外表看起来和普通玻璃似乎没有什么区别,但实际上里面有许多“机关”。格拉蔡在两层普通玻璃板之间“夹进”了一些特殊的遇到阳光就能发电的超薄化合物,其中包括二氧化锡导电层,二氧化钛半导体层和一种含碘为主的电解液层及一种类似植物中的叶绿素的染色层。
你也许会问,玻璃板之间夹了这许多层“馅”,还能透光吗?其实你用不着担心,别看玻璃板之间有这么多夹层,但它们总的厚度才10微米,因此完全可以透过光线,一点也不影响室内的亮度。
那么这种古怪的玻璃板是怎么发电的呢?它的过程是这样的。当光线穿过外层玻璃和非常薄的二氧化锡层及电解液层,到达染色层时,染色层就吸收太阳光中的光子,光子是一种带有能量的粒子(用肉眼根本看不到比细菌还小得多的玩艺儿),别看这种粒子小,它打在染色层上却可以把一个电子给轰出来,轰击出来的电子进到二氧化钛半导体层内,又转移到紧挨着它的二氧化锡导电膜中,形成电子流。这样,在里外两层玻璃上的二氧化锡就像一个干电池的正负极,带上了电,只要在这两个正负极之间连接上收音机和电灯泡之类的电器,就可以收听音乐和照明。
现在这种太阳能玻璃板每平方米可以发出150瓦的电力,全世界的玻璃窗户要是都换上这种玻璃板,你想想会发出多少电力?据格拉蔡说,用这种玻璃作窗户,安装起来也不费事,安一个窗户有两小时就足够了。当然,眼下这种发电玻璃还比较贵,但比起现在常用的硅太阳能电池要便宜。而且预计,这种玻璃只要今后大量生产,成本会不断下降,因为制造这种发电玻璃的原料包括二氧化锡、二氧化钛都是很便宜的。
又轻又结实的玻璃钢
少年朋友大都知道,氧气瓶是一种耐高压的容器,它所承受的工作压力为150千克/厘米2。为了使用安全,制造时,往往要求它能承受3倍的工作压力,也就是450千克/厘米2。在这一工作压力下不爆裂,才算是合格的氧气瓶。有时候,人们要求氧气瓶能忍受的压力更大,要达到600千克/厘米2以上,远远超过通常的设计指标。
那么,用什么样的钢材才能满足这种高压要求呢?
很显然,用普通钢材非爆裂不可。为此,材料科学家研制成功了一种特殊的材料,它可以满足我们的要求,这种材料叫“玻璃钢”。所谓玻璃钢,是由玻璃与塑料复合在一起制成的。
在本章开头,我们就已经提到,玻璃是一种硬而脆的材料,一摔就碎。由玻璃钢制成的氧气瓶能经得起摔吗?
材料科学家利用玻璃钢氧气瓶做过一次破坏性试验:将一只玻璃钢氧气瓶充气到150千克/厘米2,然后让它从山顶上滚下山谷。这只玻璃钢氧气瓶与嶙峋的岩石剧烈地碰撞着。试验结果,氧气瓶一直滚到谷底,仍然没有爆裂。
经测试表明,一般玻璃的耐拉强度只有普通钢材的八分之一。当我们把玻璃熔化,拉成只有头发丝直径十几分之一,那么细的玻璃纤维,它的耐拉强度可增加十几倍。
大家知道,水泥块耐压,钢材耐拉。用钢材作筋骨,水泥砂石作肌肉,让它们凝成一体,互相取长补短,就会变得坚强无比。这就是我们平时经常见到的钢筋混凝土。
根据这一原理,我们用玻璃纤维做筋骨,用合成树脂作肌肉,让它们凝成一体,这样制成的材料,它的抗拉强度可以与钢材相媲美。因此,人们称它为玻璃钢。
玻璃钢是近30多年来发展迅速的一种新颖材料。它既坚韧,但又比钢材要轻得多。目前,喷气式飞机上用玻璃钢来做油箱和管道,可大大减轻飞机的重量。登上月球的宇航员,他们身上所背的微型氧气瓶,也是用玻璃钢制成的。
玻璃钢加工容易,不锈不烂,无须油漆。我国已广泛采用玻璃钢来制造各种小型汽艇、救生艇及游艇,节约了不少钢材。化工厂也采用玻璃钢来代替不锈钢制作各种耐腐蚀设备,大大延长了设备的寿命。
玻璃钢还为提高体育运动水平立下了汗马功劳哩!从1942年至1957年,在这15年间,因为没有理想的撑竿,撑竿跳高的世界记录仅仅提高了1厘米。新的玻璃钢撑竿出现以后,由于它既轻又富有弹性,从而使记录直线上升。至90年代初,撑竿跳高的世界记录已由1957年的478米提高到609米。